[发明专利]一种超细纳米晶磷酸钒锂正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电池正极材料及其制备方法技术领域，更具体地说，涉及一种可用于高倍率充放电的超细纳米晶磷酸钒锂正极材料及其制备方法。

背景技术

随着不可再生能源的日益短缺和人们环保意识的逐渐加强，以及目前出现的全球变暖和生态环境恶化等问题，开发利用新能源实现人类可持续健康发展是必然的选择。目前，新能源主要包括太阳能、风能、光能、地热能、潮汐能等清洁可持续的资源，然而二次电池是这些清洁能源能量储存、转换的关键。其中，锂离子电池具有体积小、质量轻、比容量大、循环寿命长、自放电小、无记忆效应等优点，是迄今为止最成功的储能器件。目前锂离子电池已广泛应用于手机、笔记本电脑、摄像机、照相机以及便携式测量仪等小型电子设备领域，并在电动自行车和汽车领域展现出广阔的应用前景，未来也有可能在电网调峰、风能和太阳能蓄电等领域发挥重要作用。

锂离子电池性能的提高往往取决于正极材料的开发和改良研究，正极材料作为锂离子电池的主导材料，决定着锂离子电池的电化学性能、安全性能等，得到了国内外科研工作者的广泛关注。目前，已商业化的氧化物锂离子电池存在着安全性不稳定等因素，因此人们需要研发更高能量密度和更高安全性能的正极材料来解决这一问题。聚阴离子材料具有非常稳定的结构，即使在放电过程中脱出锂离子与过渡金属原子物质的量比大于1时，仍然有非常好的结构稳定性，这一特性正好满足了人们对安全性能的要求。目前运用的聚阴离子材料主要是磷酸铁锂，与磷酸铁锂正极材料相比，同样作为聚阴离子材料的磷酸钒锂有着更为独到的优势，单斜结构磷酸钒锂具有三维锂离子扩散通道，三个锂离子能够自由嵌入脱出于共氧的[VO₆]正八面体和[PO₄]正四面体组成的三维框架结构，这使得其在3.0-4.8V的电压范围内理论比容量高达197mAh/g。然而，目前磷酸钒锂正极材料的锂离子扩散能力和电子导电率均不太理想，从而导致其倍率性能较差，大大限制了磷酸钒锂正极材料的应用。因此，如何提高磷酸钒锂正极材料的倍率性能是当前该类材料研究的重点。

目前，提高磷酸钒锂正极材料功率特性采取的改进措施主要有：(1)外包覆导电材料，如碳材料、导电聚合物材料、金属颗粒等；(2)掺杂金属离子，在磷酸钒锂的钒位掺杂如Al³⁺、Fe³⁺等；(3)设计纳米尺寸的电极材料，缩短锂离子的扩散距离。其中，随着纳米技术的不断发展，设计纳米尺寸的电极材料越来越受到电池研究人员的青睐，并成为提高磷酸钒锂正极材料功率特性的重要手段，目前国内外研究人员虽已制备出了一些纳米结构磷酸钒锂正极 材料(如，Electrochim.Acta 54(2009)6451,Electrochim.Acta 55(2010)3864,J.Solid State Electrochem.17(2013)1991,CN103996852A)，又如，中国专利申请号201410230396.9公开了一种新型纳米磷酸钒锂正极材料的制备方法，该申请案主要采用液相法与固相法相结合来制备前驱体，将钒源、锂源、磷源按照一定的摩尔比例溶解于去离子中，然后加入少量的分散剂聚乙二醇(PEG)，再滴加一定量的络合剂乙二胺四乙酸(EDTA)继续搅拌形成稳定的络合物，将所得溶液转入高压反应釜，进行水热反应，冷却后处理得到磷酸钒锂前驱体。再将所得到的前驱体在惰性环境下高温煅烧，冷却后即可得到碳包覆的纳米磷酸钒锂。但由于受到采用现有方法制备得到的磷酸钒锂晶粒尺寸的限制，所得磷酸钒锂正极材料的倍率性能难以较好地满足使用要求，仍有待进一步提高。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服采用现有方法制备得到的磷酸钒锂正极材料的晶粒尺寸相对较大，其倍率性能难以满足使用要求，从而限制了其推广应用的不足，提供了一种超细纳米晶磷酸钒锂正极材料及其制备方法。采用本发明的方法制备得到的磷酸钒锂纳米晶在10nm以下，较大程度地缩短了锂离子的扩散距离，从而使电池的倍率性能得到了极大的提高。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种超细纳米晶磷酸钒锂正极材料，该正极材料中的磷酸钒锂晶粒均匀分散在无定形碳网络中形成100-200nm的Li₃V₂(PO₄)₃/C颗粒，且Li₃V₂(PO₄)₃/C颗粒的周围包裹有石墨烯片。